深部高應(yīng)力軟巖巷道底臌機(jī)理及防治對(duì)策

徐峰

( 皖北煤電集團(tuán)公司 臥龍湖煤礦,安徽 淮北 235000)

目前,我國(guó)淺埋的煤炭資源逐年減少,而開(kāi)采的深度逐年增加.對(duì)于深部巷道,因地質(zhì)條件復(fù)雜及深部高應(yīng)力的作用,常發(fā)生強(qiáng)烈底臌.底臌強(qiáng)烈時(shí),整條巷道不能正常使用,對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響.近年來(lái),許多專家對(duì)巷道底臌機(jī)理及防治技術(shù)做了大量的研究.康紅普等[1]認(rèn)為底臌的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)壓曲,偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容,巖石自身的遇水膨脹;馮強(qiáng)等[2]對(duì)巷道底板塑性破壞程度進(jìn)行分析,得出底板的破壞規(guī)律;孟慶彬等[3]分析了軟巖巷道圍巖變形破壞與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力演化規(guī)律;在底臌控制方面,何滿潮等[4]提出包括頂板、兩幫、底角在內(nèi)的“三控”理論;劉泉聲等[5]研究采用混凝土反底拱結(jié)合注漿、預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合加固軟巖巷道底板的方法控制底臌.這些成果促進(jìn)了煤礦巷道底臌防治技術(shù)的發(fā)展.本文以臥龍湖煤礦南一底板軌道巷為研究對(duì)象,探討分析深部高應(yīng)力巷道底臌機(jī)理及防治對(duì)策,為防治底臌提供參考.

1 礦井概況

皖北煤電集團(tuán)公司臥龍湖煤礦位于安徽濉溪鐵佛鎮(zhèn)境內(nèi),由于礦井煤層埋藏深、各種應(yīng)力集中、采動(dòng)影響、南翼巷道布置不合理等原因,造成南翼巷道普遍失穩(wěn)破壞、底臌強(qiáng)烈,制約了該礦的正常安全生產(chǎn).南一底板軌道巷是該礦南翼采區(qū)最重要的開(kāi)拓巷道[6],按照該巷道的設(shè)計(jì)平面圖(見(jiàn)圖1),該巷道在距10煤層停采線前方約25.5 m處揭露10煤層,巷道從10煤層頂板進(jìn)入10煤層的底板(見(jiàn)圖2),10煤層厚度為0.59～3.20 m,平均厚度2.36 m.南一底板軌道巷穿過(guò)的圍巖基本上是泥巖,應(yīng)力集中,巖石裂隙較為發(fā)育.根據(jù)以前的工程經(jīng)驗(yàn),判斷該巷道破壞主導(dǎo)因素是底臌,且該巷道掘進(jìn)過(guò)程中穿10煤層,使得巷道維護(hù)、修復(fù)工作更加困難.鑒于此,需對(duì)南一底板軌道巷的底臌機(jī)理及具體原因進(jìn)行分析,并采用有效的技術(shù)防治對(duì)策,從根本上防治巷道底臌,使該巷道滿足安全生產(chǎn)需要.

圖1 南一底板軌道巷平面

圖2 南一底板軌道巷剖面

2 巷道底臌機(jī)理

2.1 底臌具體原因分析

臥龍湖煤礦南翼采區(qū)投產(chǎn)以來(lái),巷道底板因未采取合理的加固措施,使巷道普遍出現(xiàn)底臌、甚至強(qiáng)烈底臌現(xiàn)象.南翼采區(qū)大多數(shù)巷道進(jìn)行了3次臥底維修,甚至個(gè)別巷道進(jìn)行了4次臥底.根據(jù)南翼的地質(zhì)條件、底臌破壞特征,分析得到造成大范圍底臌的具體原因:

1)巷道設(shè)計(jì)與布置不合理

臥龍湖煤礦南翼巷采區(qū)的巷道普遍布置在10煤層頂板巖層里,因10煤層工作面垂直于巷道開(kāi)采,雖然保留了近115 m的煤柱,但因支承壓力持續(xù)作用,導(dǎo)致巷道所受圍巖應(yīng)力居高不下,不到3.5個(gè)月就要大修,反復(fù)擴(kuò)修加劇了圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展,大大增加了巷修難度,形成了反復(fù)修護(hù)的惡性循環(huán).

2)圍巖巖性弱、強(qiáng)度低

巷道圍巖主要是泥巖,巖石雖有一定的強(qiáng)度,但是巖層裂隙較為發(fā)育,巖層結(jié)構(gòu)差,造成圍巖強(qiáng)度較低[7].

3)底板沒(méi)進(jìn)行加固

因底板沒(méi)進(jìn)行支護(hù),在頂板和兩幫加固后,底板首先變形、底臌,并且常常因底臌量較嚴(yán)重,不得不進(jìn)行臥底.由于臥底過(guò)程中對(duì)底板巖石的擾動(dòng)[8],使得巷道圍巖松動(dòng)圈范圍逐漸擴(kuò)大,促使巷道幫部向內(nèi)收縮,進(jìn)一步降低了巷道圍巖的穩(wěn)定性[9].

2.2 巷道底臌機(jī)理分析

臥龍湖煤礦南一底板軌道巷,處于深部較強(qiáng)流變性的泥巖中,這種巖石構(gòu)造應(yīng)力較大,側(cè)向壓應(yīng)力系數(shù)可達(dá)0.7,故豎向地應(yīng)力引發(fā)的水平地應(yīng)力數(shù)值也很大.因此,在巷道底板沒(méi)進(jìn)行加固的情況下,巷道底板底臌非常強(qiáng)烈.

軟巖巷道底臌形成與巷道的巖性有關(guān),不同巷道巖性底臌的機(jī)理也不相同.軟巖包括弱巖和泥巖.弱巖強(qiáng)度小,無(wú)流變性;而泥巖不僅強(qiáng)度小,并且遇水時(shí)流變較明顯.

當(dāng)圍巖為弱巖時(shí),底板巖石破碎形成體積膨脹,造成底臌.在這種情況下,臥底會(huì)造成巖石松動(dòng)圈范圍的擴(kuò)大,底板松動(dòng)圈擴(kuò)大到一定程度后,逐漸趨于穩(wěn)定,就不再發(fā)生底臌.

當(dāng)巷道圍巖為泥巖時(shí),底臌發(fā)生的主要原因是環(huán)向應(yīng)力圈內(nèi)的巖石受到環(huán)向應(yīng)力作用后,沿徑向方向產(chǎn)生較大應(yīng)變[10].因圍巖具有流變性,上述應(yīng)變基本上為塑性應(yīng)變,產(chǎn)生塑性流動(dòng).因僅僅在巷道底板上方具有流動(dòng)的空間,所以環(huán)向應(yīng)力圈中的各部分巖石只能沿徑向向巷道表面位移,產(chǎn)生底臌.

圍巖為泥巖時(shí),巷道底臌的形成是一持續(xù)而緩慢的過(guò)程,隨著巷道底板部位的環(huán)向應(yīng)力圈橫向發(fā)生塑性流變,該環(huán)向應(yīng)力圈的承載能力將降低,使環(huán)向應(yīng)力圈的范圍向外擴(kuò)大以保持其承載能力,擴(kuò)張進(jìn)入環(huán)向應(yīng)力圈的巖石因橫向流變的原因向內(nèi)移動(dòng),這樣形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,使環(huán)向應(yīng)力圈持續(xù)存在且保持在一定的位置,但其中的介質(zhì)一直不停地更新.上述環(huán)形應(yīng)力圈各部位環(huán)向應(yīng)力值不等,中部最大,兩邊最小;橫向應(yīng)變的方向均沿著應(yīng)力圈的徑向,所以巷道底臌的程度沿巷道底板橫向不同,中部最大,而兩邊最小[11](見(jiàn)圖3).

圖3 巷道底臌形成

3 防治技術(shù)對(duì)策

臥龍湖煤礦以往大量工程實(shí)踐證明,巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的整體性失穩(wěn)成為導(dǎo)致軟巖巷道變形、破壞的根本原因[12].因此,提高支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其承載能力對(duì)控制軟巖破碎巷道圍巖變形失穩(wěn)是至關(guān)重要的[13,14].對(duì)普通的淺部軟巖巷道,因圍巖應(yīng)力不大,即使不采取支護(hù)技術(shù),也能保證巷道底板穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生較大的底臌.但是對(duì)于深部巷道,因上覆巖體自重應(yīng)力、采動(dòng)影響、圍巖巖性弱等情況的共同作用,沒(méi)進(jìn)行支護(hù)的軟巖巷道底板極易失穩(wěn),發(fā)生嚴(yán)重的底臌[15].對(duì)此,應(yīng)采取有效的支護(hù)技術(shù)控制底板的強(qiáng)烈鼓起.否則,巷道底臌會(huì)成為南一底板軌道巷結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)的突破點(diǎn).有效控制軟巖巷道底臌的關(guān)鍵技術(shù)是在巷道底板形成可靠的承載結(jié)構(gòu),并且采用結(jié)構(gòu)補(bǔ)償技術(shù)確保巷道底板支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[16],以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定.

南一底板軌道巷作為南翼采區(qū)最重要的開(kāi)拓巷道,使用年限較長(zhǎng),巷道支護(hù)要求較高.根據(jù)南一底板軌道巷的地質(zhì)條件,從保證巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定出發(fā),提出了南一底板軌道巷底臌治理技術(shù)方案.

3.1 防治技術(shù)方案

軟巖巷道底板嚴(yán)重底臌是巷道失穩(wěn)破壞的主要原因,為保證巷道正常使用斷面,通常對(duì)巷道底板進(jìn)行大面積臥底[17].可是反復(fù)臥底不但消耗大量人力物力,而且對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性非常不利.為此,采取有效的防底臌技術(shù)尤為重要.

當(dāng)前,底板錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)是比較有效的底臌防治技術(shù)[18].為充分發(fā)揮深部巖層的承載能力,在巷道底板中部按梅花眼型施工3根錨索對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償.結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索采用Φ17.8 mm×6 500 mm的鋼絞線,底板補(bǔ)償錨索間距為1 600 mm,排距為800 mm,如圖4所示.每個(gè)錨索孔使用4卷中速型樹(shù)脂錨固劑,理論錨固長(zhǎng)度約2 200 mm,底板錨索錨固力大于或等于120 kN.

圖4 南一底板軌道巷底板錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)俯視圖(單位：mm)

采用2個(gè)巷道支護(hù)斷面對(duì)底板支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償,如圖5所示.即斷面1和斷面2相間隔布置,2個(gè)斷面相距800 mm.根據(jù)南一底板軌道巷的寬度,在兩排枕木中間布置底板錨桿,同時(shí)施工底板錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)償加固.底板錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm鋼錨桿,錨桿間排距800 mm;每個(gè)錨桿孔使用2卷Z2350型樹(shù)脂錨固劑,設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度約1.75 m,錨桿錨固力矩不低于200 N·m;錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的鼓型托盤[19,20].

圖5 南一底板軌道巷底板錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案(單位：mm)

錨索托盤采用18#槽鋼加工,具體加工尺寸如圖6所示.

圖6 槽鋼托盤加工尺寸(單位：mm)

同時(shí),為進(jìn)一步提高巷道底板承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,底板錨索、錨桿聯(lián)合使用鋼筋梯子梁,鋼筋梯子梁選用Φ14 mm的圓鋼加工,加工尺寸見(jiàn)圖7.

圖7 鋼筋梯子梁加工尺寸(單位：mm)

南一底板軌道巷錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的具體操作要求:

1)采用底板錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí),先把巷道底板臥到底板設(shè)計(jì)標(biāo)高以下400 mm[21].

2)鋪設(shè)底板鋼筋網(wǎng),施工底板錨桿和錨索,底板錨桿錨固力矩應(yīng)大于或等于200 N·m,底板錨索錨固力應(yīng)大于或等于120 kN.

3)澆筑100 mm厚的底板混凝土.

4)把底板回填到底板設(shè)計(jì)標(biāo)高,在此之前把超出設(shè)計(jì)的錨索外露部分用專用工具截掉.

5)水溝中錨桿施工應(yīng)分段進(jìn)行,施工后應(yīng)澆筑50 mm厚混凝土,蓋住錨桿的外露部分.

3.2 施工中的問(wèn)題及對(duì)策

1)當(dāng)樹(shù)脂錨固劑不能安裝到孔底時(shí),錨索的錨固力僅僅達(dá)到20～30 kN,只有錨固劑安裝到位,錨索錨固力才能達(dá)到90 kN.對(duì)此,一定應(yīng)將錨固劑安裝到位,對(duì)錨固劑安裝不到位的錨桿(索)孔,嚴(yán)禁安裝錨桿和錨索.

2)錨桿、錨索安裝后,攪拌時(shí)間如果過(guò)短,會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂藥卷不能充分?jǐn)嚢杈鶆?嚴(yán)重影響錨固性能,應(yīng)加長(zhǎng)樹(shù)脂藥卷攪拌時(shí)間,理論要求攪拌時(shí)間為25～45 s.

3)現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)一采用Φ28 mm鉆頭施工錨桿(索)孔,禁止采用Φ32 mm鉆頭施工錨桿(索)孔.

4)施工過(guò)程中的鋼筋梯子梁出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng),長(zhǎng)的部分應(yīng)全部留到巷道的右側(cè),禁止截?cái)?

5)錨索外露過(guò)長(zhǎng)時(shí)應(yīng)截去超過(guò)底板設(shè)計(jì)標(biāo)高的部分,截?cái)嗟脑瓌t為錨索外露長(zhǎng)度應(yīng)不小于150 mm.

6)針對(duì)因底板水大影響樹(shù)脂錨固劑的錨固質(zhì)量問(wèn)題,采取深孔抽水,從源頭上控制出水量.

4 效果分析

施工后,布置觀測(cè)站觀測(cè),進(jìn)行巷修效果分析.圖8和圖9分別顯示了巷道表面位移、表面位移速度與該巷道修護(hù)時(shí)間的關(guān)系.

圖8 巷道圍巖表面移進(jìn)量變化

圖9 巷道表面移進(jìn)速度

圖10和圖11分別顯示了南一底板軌道巷底臌量、底臌速度及其與該巷道修護(hù)時(shí)間的關(guān)系.

圖10 巷道底板底臌量變化

圖11 巷道底板底臌速度變化

觀測(cè)結(jié)果顯示,受巷道擴(kuò)修的影響,在巷道擴(kuò)修后的50 d內(nèi),巷道底臌量迅速增加,且巷道底臌速度變化也比較大.此后,隨著擴(kuò)修影響的減弱,巷道底臌量和底臌速度逐漸減小,并且逐漸趨于穩(wěn)定.

圖12為采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后的效果圖.

圖12 南一底板軌道巷修護(hù)后效果

5 結(jié)論

1)高應(yīng)力軟巖巷道底臌形成與巷道的巖性有關(guān).巖性強(qiáng)度低、流變性強(qiáng)的巷道易發(fā)生底臌.其次,巷道底臌形成與巷道設(shè)計(jì)和布置不合理有關(guān).如果巷道布置在煤層或受采動(dòng)影響的巖層,也易發(fā)生巷道底臌.

2)巷道底板中部底臌最嚴(yán)重,是高應(yīng)力集中區(qū),可施工錨索深入深部巖層,并聯(lián)合使用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁支護(hù),采用2個(gè)巷道支護(hù)斷面對(duì)底板支護(hù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性補(bǔ)償,能有效防治巷道底臌破壞,取得較好的修護(hù)效果.